生物节水研究成为科界热点(4)

        二、植物高效用水研究的方向

        在SPAC系统中，虽然考虑到植物与大气和土壤水分循环的关系，许多研究都集中土壤和大气水分运移的物理模型和植物水分生理生态方面，但目前没有和生物的遗传特性紧密联系起来，是个有待进一步深入开展研究的方向。我们都知道不同降水地理条件下的植被类型是明显不同的，C3、C4、CAM植物的抗旱性和水分利用效率遗传和生态特性明显不同；同一作物品种中，有抗旱不抗旱的品种之分，分别适应于旱地和灌溉地区种植。以水为生命之源，水分占其体重的80%-90%的生物的生长发育、形态结构、组织细胞、分子基因都与水分的高效利用有一定的关系。但目前在生物节水机理和应用方面还有许多问题没有研究清楚。

        许多生物都是人类根据气候环境变化选择和驯化栽培的。小麦起源于伊拉克和伊朗的两河流域，许多小麦野生种原来都是春性的，后来经过人类的选择和改良，培育出了大量的冬小麦品种，改变了小麦种植历史，在世界各地广泛种植。目前在我国北方许多地区特别是在寒冷地区，许多地区都开展冬麦北移的研究，改种春麦为冬麦。一方面是因为全球气候变暖，另一方面可以高效利用秋季降水，通过冬小麦的秋、冬、春季覆盖，可以减少休闲地的水分无效蒸发，最重要的是可以减少冬春季沙尘暴天气的危害和发生；同时，还可以提高小麦品质。因此，冬麦北移和改春麦为冬麦，是生物节水和水分高效利用的一个重要研究方向。虽然在许多地区冬小麦是一个重要的灌溉和耗水量大的作物，但通过种植抗旱节水小麦品种，就可以减少对水库灌溉用水和地下灌溉用水的消耗。

        在埃及等许多国家和地区，由于地表河流水资源的短缺，他们改种耗水量大的水稻为抗旱节水的小麦、棉花、玉米和高粱等旱地作物。美国、巴西等许多国家改种耗水量和需肥量较大的玉米为抗旱耐瘠的高粱，利用高粱发展酒精等生物能源产业，同样取得了农业和经济的良性发展，值得我们借鉴。这一方面在我国南方湿润地区和季节性干旱地区，就有很大的潜力可挖。例如，在夏秋季节性干旱条件下，可以改种水稻为旱稻、玉米、高粱、小麦等相对耐旱的作物。因此，通过不同植物的布局和种植制度的改变，和生物抗旱节水品种的选育和推广，生物节水和水分高效利用还有很大的潜力可挖。

        三、作物自身水分高效利用的生理遗传机制和育种改良研究

        我国粮食生产的限制因素是干旱，雨水丰歉决定了粮食丰歉，影响了我国乃至世界粮食安全。但培育和种植抗旱节水作物优良品种是保障粮食稳产的关键。

        植物抗旱高产有三个方面：一方面是要保持水分，将水分保持在体内，例如，仙人掌、玉米、高粱等植物是高水势的抗旱；二是耐旱，例如卷柏（还魂草）、小麦、谷子等植物就是低水势耐旱，在水分严重缺乏的情况下，还可以保持生命活力；三是水分高效利用，在具有一定抗旱性的同时，要利用一定的水分生产出更多的粮食和经济产量，如目前培育的旱肥型或者是水旱兼用型小麦品种，就是作物抗旱节水高产育种的方向。

        植物在抗旱和水分高效利用方面有明显的遗传和生理差异，像人类一样“有人喝凉水都长胖”。小麦等作物里有四种水分利用效率类型：一种是耗水少、产量低，水分利用效率低，即三低型；二是耗水中少，产量中低，水分利用效率中高，如在我国北方冬麦区推广种植的旱薄地小麦生态型；三是耗水中上，产量最高，水分利用效率最高，如在我国黄淮旱地和节水灌溉地区推广种植的旱肥型和水旱兼用型小麦生态型；四是耗水多，产量低，水分利用效率低。我们希望选育出第二和第三种抗旱高水分利用效率和高产的类型的优良新品种。

        目前在作物自身水分高效利用的生理遗传机理研究方面，应该从作物生长发育、形态结构、组织细胞、分子基因、代谢调控等层次，在以下几个方面进行深入研究：一是作物的抗旱机理，二是作物的水分高效利用机理；三是作物高收获指数的机理；四是抗旱和水分高效利用及高产的协调关系；五是水分和养分耦合共同高效利用的机理；六是水分和光合高效利用和转运的机理。

        从作物抗旱节水品种遗传改良方面来看，一方面要加强抗旱高水分利用类型种质资源的筛选和利用，二是通过从国内外干旱半干旱地区进行抗旱高水分利用效率类型植物新种和作物新品种的引进和驯化，三是利用常规育种和转基因等生物新技术，培育抗旱节水优质高产的农作物新品种。

        从旱地作物高产发展趋势来看，我国旱地小麦有50%的旱薄地亩产150公斤，有20%-30%的中产旱地亩产250公斤；有15%左右的旱肥地可亩产400公斤；有5%旱地育种和示范地亩产可达500公斤左右。说明我国旱地小麦育种有了很大的发展，同时，说明旱地作物高产育种和栽培还有很大的潜力可挖。我们相信随着栽培条件特别是肥料投入的普遍增加，在本世纪中期，全国旱地小麦可以平均亩产200公斤以上，甚至有50%的旱地面积可以达到亩产250公斤。另外，随着抗旱节水高产品种的推广，原来的水稻栽培将变成旱稻栽培，原来水地小麦一生种要灌溉10-5次，现在只灌溉1-3次，照样可以亩产500公斤。特别是玉米、水稻、小麦等作物超高产品种的培育成功和推广应用，即通过作物自身的水分利用效率提高，对我国粮食持续增产有重要意义和很大潜力可挖。

        本文认为，抗旱节水应用研究从农艺保水节水→以肥调水增水效（水肥耦合）→作物抗旱耐旱育种→高水分利用效率育种→抗旱性和丰产性统一于一体→生物节水→WUE是未来可持续农业发展的关键问题→让每一滴水生产出更多的食物。植物抗旱机理进展从被动的耐旱性研究（细胞质浓度、束缚水含量、细胞膜稳定性，离体失水等）→主动的抗旱性研究（根系吸水、渗透调节等）→节水研究（ABA根冠信号调控叶片气孔开关，优化调节叶片WUE等）→水分高效利用研究（水通道蛋白，高收获指数等）。植物抗旱节水遗传改良的学科发展趋势是从耐旱抗旱形态和育种研究→耐旱（水分胁迫）生理调控机制→抗旱和高WUE遗传→抗旱和高WUE分子生物学→抗旱和高WUE分子遗传→WUE基因工程。中科院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心课题组近年来在小麦水分利用效率的生理遗传育种进化、基因定位和分子标记方面开展了深入研究，证明植物水分利用效率性状受遗传控制并可以进行遗传改良和栽培提高。目前国外已经克隆了控制拟南芥蒸腾效率的基因，利用转抗旱节水基因提高了小麦等植物的水分利用效率。我国在作物的水分利用效率生理遗传育种及分子生物学等方面的研究还很薄弱。因此，还有待大力加强，建议组织一个“生物节水机理和应用”或者是“提高作物水分利用效率的机理和应用”的研究项目，对我国节水农业和可持续农业的深入发展具有重要意义。 (责任编辑：泉水)

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